试析山区公路高切坡岩土安全分区

试析山区公路高切坡岩土安全分区

魏晓阳赵国庆

西安中交公路岩土工程有限责任公司陕西西安710000

摘要：随着社会经济的快速发展，我国的城镇化建设和工业化建设进程不断加快，这极大地促进了我国公路工程的发展。其中就山区来说，由于受到地形因素的影响，会在一定程度上增加公路工程施工的难度，为了确保工程施工顺利开展，提高其安全性和稳定性，就需要进行山区公路高切坡岩土安全分区，为公路工程施工提供依据。本文详细的分析和研究了山区公路高切坡岩土安全分区，具有一定的参考价值。

关键词：山区公路；高切坡；岩土安全分区

一、引言

在近几年，为了适应社会经济发展以及人们出行需求，公路工程建设不断加快。随着逐步提高的公路等级，这样在公路高切坡防护工程中的稳定性、安全性问题也会随之增加，成为常见的岩土工程技术难题。在边坡开挖的过程中，会将岩土体内原先的应力平衡现象打破，而新形成的应力平衡就会相应的调整高切坡体内的应力，但是在这一过程中，会导致切坡体处于失衡状态，因此建筑施工单位可以在具体施工的过程中就需要提高对这一方面的注意[1]。通过工程实践证明，在山区工程中高切坡稳定性、安全性问题会更为突出，尤其是在雨季，公路高切坡滑坡、塌方等地质灾害十分常见，严重的话甚至还会造成人员伤亡。目前，在评价公路边坡稳定性的过程中，已经将整体安全稳定作为其中的重要方面，但随着不断发展的公路管理维护和工程实践管理，不仅仅需要了解其整体稳定情况，同时也需要掌握具体安全稳定情况，进而工程防护工作的目的性、针对性就会更强[2]。

二、山区公路高切坡岩土安全分区过程

就高切坡岩土安全分区过程来说，主要可以分成三个部分：一是根据实地勘察得到的设计资料，可以将研究断面初步确定下来，并在GIS的基础上结合相应的地质勘查资料、地形图资料等修正研究断面；二是利用有限元软件对研究断面进行数值模拟，这样就能够得到相应的节点参数；三是综合应用GIS空间可视化功能、符号设计功能以及分析技术，来完成可视化分区成果输出、符号设计、地表空间剪切、地表模型创建、空间插值、数据计算等[3]。

（一）地理信息系统前期分析与处理

作为GIS技术系统来说，其基础是计算机软硬件系统，采集、描述、显示、分析、运算、管理、储存地球表面或整个相关的地理分布数据。地理信息系统的分析功能和空间数据分析功能比较强大，目前已经广泛的应用于地质灾害评价当中。地理信息系统前期分析和处理应用在山区公路边坡灾害评价当中，是依据计算机手段以及ArcGIS9.3的可视化显示功能和空间分析技术来完成确定剖面线、绘制剖面图、划分网格等过程[4]。

1、创建数字地形模型

根据高切坡的实际情况，利用GIS针对一定范围的高切坡，建立出相应的数字高程模型，在计算机屏幕上利用GIS三维显示模块显示出高切坡周边的地形起伏状况，这样就能够对分析区域开挖前后的地形情况有更加全面、细致的了解，并以此为依据来初步判断高切坡的稳定性。如果在高切坡范围内出现明显的地层分界现象或者是勘测到存在软弱地层，就可以按照相同的方法结合勘探资料或地质图资料来构建相应的结构面数字模型。

2、倾斜方位分析

在分析高切坡坡度坡向的时候可以充分依据数字高程模型，了解和掌握在开挖坡体中倾斜方位的分布情况。同时还需要结合实地调查资料和勘察资料，对研究范围内的结构面进行判断。如果出现明显的地层分解或软弱地基，就需要依据结构面数字模型来分析结构面的倾斜方位，然后借助GIS空间叠加功能将结构面与地表之间倾斜方位夹角计算出来，对高切坡中危险剖面的位置进行进一步修正或确定；如果在这一范围内不存在可控开挖边坡滑动结构面，就可以直接利用所得到的开挖前后的数据对高切坡存在的可能滑动的范围进行有效判断，明确相应的计算剖面投影线[5]。

3、确定计算剖面位置

栅格图层叠加窗口由计算剖面投影线、结构面数字模型、数字高程模型共同组成，在切面绘制过程中需要依据投影线方向，然后利用计算机软件就可以自动生成相应的剖面图。

4、自动剖分网格

在生成计算剖面之后，就可以在地理信息系统中进行网格软件接口程序建立或自动剖分，然后向其他具有有限元单元自动剖分功能软件当中导出剖面数据，并按照有限元计算模拟需要来完成参数赋值和网络剖分。

（二）有限元数值模拟

在有限元模拟软件中导入剖分后的数据，进行数值模拟，进而得出Lode应力参数耦合以及统一强度力度当中需要的一系列参数，然后合并、转化输出相应参数。

（三）地理信息系统后期分析与可视化

1、数据计算

按照Lode应力参数耦合方法和统一强度理论，在GIS中的数据计算统计功能对有限元数值模拟中各节点参数进行计算，得出相应节点的Fs值。

2、分析空间插值

采用IDW方法并结合GIS软件空间插值功能在高切坡断面中将各节点的Fs值推算出由点到面的插值，同时还需要依据其三维分析功能，创建出相应的地表模型[6]。

3、分析空间剪切

依据相应研究范围图层，对公路沿线开挖剖面地表模型数据和高切坡断面插值数据进行空间剪切分析，所得到的就是研究范围内的统一空间数据。

4、符号设计与可视化

在上述几个步骤中得出的数据均为栅格类型，然后将数据借助GIS中的栅格转矢量转换功能转换成相应的矢量类型，利用重分类功能在此基础上完成局部安全分区，并符号设计、输出最终的结果。

三、实例分析

将某一山区公开高切坡中的K88+660-700路段作为研究范围，在地理信息系统软件ArcGIS平台上依据实地勘察资料以及勘测得到的地质资料与地形图，进行相应的前期分析与处理，最终得出三个断面以及参数赋值剖分网格。

在Ansys10中对前期处理完成数据进行数值模拟，得出个断面网格节点参数，然后将其转换成ArcGIS软件可读取的数据格式输出。利用Lode应力参数耦合方法与统一强度理论在ArcGIS中科学计算输出的数据，就能够得出三个断面中相应节点的Fs值。将各节点Fs值利用空间插值方法向整个公路沿线坡面或模拟断面总有效拓展，保证坡面范围或断面范围中都具有相应的Fs值。其中按照该市地质灾害勘察规范标准，并结合Fs值的大小将其高切坡安全分区划分成不稳定、欠稳定、基本稳定、稳定四个等级。

通过对三个断面模拟结果分析可以得出，局部不稳定区域主要集中在靠近开挖台阶区域和高切坡下部，延伸方向基本上与高切坡岩土性质特征相一致，所得结果能够对高切坡局部防治和开挖提供参考依据。

结语：总的来说，结合Lode应力参数耦合方法与统一强度理论计算、构建出相应的高切坡局部岩土安全数学模型，所得出的结果与实际情况更加符合，可靠性更高，其具有较高的理论价值。再通过利用GIS可视化技术和空间分析技术，就能够将这两种技术的优势充分发挥出来，不仅仅能够很好的指导高切坡防护与开挖工程操作，同时也能够增强其经济效益，在一定程度上促进公路工程发展建设。

参考文献：

[1]祝辉,叶四桥.山区公路岩土复合型高切坡稳定性分析[J].路基工程,2015,02:28-31+46.

[2]周志军,梁涵,庾付磊,颜可珍.山区公路高切坡岩土的理想点法安全评价[J].兰州理工大学学报,2013,3904:119-122.

[3]阮高,李本云.山区公路岩土复合型高切坡稳定性分析[J].黑龙江交通科技,2017,4006:62-63.

[4]宋义亮,罗金.巴东县某高切坡破坏模式分析预测及防治对策研究[J].施工技术,2011,40S2:10-12.

[5]郭志明,王明华.高陡顺向岩质人工边坡稳定性评价——以兴山县峡口码头高切坡为例[J].价值工程,2012,3103:85.

[6]顾宏伟,叶海林.三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究[J].四川建筑,2016,3605:80-84.